葫芦素煤矿智能通风系统建设与应用

2022-09-16郭炜舟刘永立张岩峰王海涛王振锁

煤矿安全 2022年9期

郭炜舟，沈斌，汪洋，刘永立，张岩峰，王海涛，李渊，王振锁

（1.中天合创能源有限责任公司葫芦素煤矿，内蒙古乌审旗 017320；2.黑龙江科技大学安全工程学院，黑龙江哈尔滨 150022）

煤矿开采发展过程经历了人工开采、放炮开采、综合机械化开采、信息集成化开采，直至今天的智能化开采，煤矿安全管理水平和生产效率也逐渐提高[1]。煤矿生产6 大系统中通风系统对于煤矿安全稳定生产至关重要[2-3]。传统的煤矿通风系统管理模式存在通风网络风流分配滞后于矿井不断变化的开拓系统，不能及时针对瓦斯等有毒有害气体体积分数变化而改变，通风构筑物靠人工完成不能智能化调节，通风系统已增阻方式调节风量，极不科学合理。

针对以上问题众多学者进行了大量研究。程晓之等[4]根据多传感器数据，提出了局部通风参数计算方法和功耗分析，通过分析风筒阻力分布和功耗，实现了局部通风状态及发展态势的研判及预警；吴新忠等[5]针对煤矿风量调节无法满足分支需风量的要求，根据相关定律和约束条件，建立了煤矿风量调节数学模型，再利用改进灰狼优化算法对模型进行求解，提出一种智能风量调节方案并进行验证，取得了良好效果；邵良杉等[6]提出了智能通风系统的定义，分析了煤矿智能通风关键技术，后以某煤矿工作面为试验对象，验证了智能通风关键技术的可靠性；刘剑[7]从通风网络解算、智能控风、通风参数测试、网络与装备4 个方面论述了智能通风存在的问题，系统的阐述了通风网络理论、观测器构建、传感器布设优化、故障诊断、扰动识别、灾变时期风流状态等关键科学技术问题；李伟宏等[8]分析了矿井智能通风控制系统的设计目标、逻辑框架和功能架构，并介绍了风速测量、三维建模、矿井通风仿真分析及网络解算的原理；白怡明[9]以曹家滩煤矿为例，设计应用智能通风系统，该系统集成了矿用风速仪、自动风门、自动风窗等设备，提高了煤矿安全保障能力；王斌等[10]针对王楼煤矿现有通风控制系统存在的问题，通过理论分析和现场试验相结合的方法，提出一套基于总线技术的智能通风控制系统，并进行现场应用，取得了很好应用效果；杜斌等[11]为了解决这大断面巷道风量精准测量问题，以煤矿常见的矩形巷道和半圆拱形巷道为例，借助COMSOL Multiphysics软件，模拟了巷道入口不同风速，巷道断面中各点瞬时风速的分布情况，确定了断面中平均风速等值线的位置；杨战旗等[12]为实现矿井正常生产或救灾时风量自动调节与控制，研制了一种矿井通风安全智能监测监控系统，介绍了该系统的结构、硬件配置及软件开发。

基于以上学者的研究，为了构建智能感知、智能决策、自动执行的煤矿智能化体系，进一步研究精准测风技术、远程自动调风技术、增设智能通风设施，进行系统升级改造，建设智慧通风监测与控制平台。设计了葫芦素煤矿全矿井通风系统平台[13-16]，平台实现了通风设备管理、数据管理、预警管理、权限管理和远程控制等功能。

1 系统总体结构

系统总体结构如图1。

图1 系统总体结构Fig.1 Whole structure of system

葫芦素煤矿智能通风系统建设，是对现有矿井通风监测系统的完善与实践，系统采用B/S 结构，可实现网络+APP 端访问。智能通风系统由监测终端（包含超声波风速传感器、风压传感器、智能测风装置、温湿度传感器）、控制终端（包括风门、风窗、风机和回风井防爆井盖）、工业环网和地面监控中心组成。

监测终端主要布置于在矿井总进风巷、总回风巷、盘区进风巷、盘区回风巷等主要通风巷道，以及采、掘工作面等主要用风地点，对全矿井主要通风巷道及用风地点的风量进行实时、在线、精准监测和数据的采集，根据采集数据实时对数据库进行维护和更新，保证通风系统模型真实可靠；控制终端是远程控制的输出端口，根据完成的解算数据，形成决策方案；有线传输网络采用现有监控系统的通讯网络，根据监控中心完成控制终端指令，并根据相关定位地址码确定各具体地点的风量情况，由此实现异常声光报警及闭锁控制。地面监控中心主要实现数据采集、可视化、分析预警、风网解算、风量调控等功能。

2 通风系统设备设计

风量调控采用“用风地点-盘区-矿井”三级调控的方式。矿井掘进工作面风量通过调整局部风功率及掘进工作面回风侧的调节风窗来实现调控；采煤工作面风量通过工作面的并联风道或工作面回风联络巷的调节风窗实现调控；矿井盘区整体风量调控，通过风机或在并联盘区总回风道中的调节风窗来实现。

1）精准测风传感器。是利用超声波在空气中传播的时间差来测量风速。依据矿井通风网络图，根据矿井风量分配计算方法，确定布置点位；在固定点位，选取风流稳定位置，以45°斜对角方式布置超声风波风速传感器，并根据特定巷道内的风流程分布特征提出风量校准方法。从而实现关键巷道及用风地点风量的精准测定，提升在线风速检测准确度和精度，改变传统的“以点代面”的局限性。

2）全断面智能测风。通过地面上位机远程控制系统下发指令到地下控制装置，利用动力机构驱动精准测风传感器，在保持统一水平面上进行垂直运动，通过环网将测量数据实时上传至软件平台，并且可以实现多个测风站同时测量软件平台统一分析展示通风巷风速、风量数据，最终实现巷道全断面智能无人精准测风。

3）远程控制风门。远程控制风门是在传统自动风门的基础上，进一步升级、具有就地手动、远程自动、全自动控制3 种运行模式，各种模式可进行自主切换，且每组风门可单独设定工作模式，互不影响。在远程控制平台内可随时查看风门的工作状态。当风门通信中断或传感器故障时，需要向管理平台发出警示。根据巷道图纸在控制平台内创建矿井巷道电子地图，井下检测传感器、风门地理位置标示清晰，并实现一键链接。数据支持传输至管理平台，用于生成报表或曲线图。

4）远程控制调节风窗。均为全断面调控，设置行人门，由框体以及通过转动轴布置在框体内的若干组扇叶，通过平行四边形连杆机构与执行器的连接，执行器固定在框体上，包括集成设置的执行元件和通信模块，执行元件通过通信模块接收外部的调节控制信号，实现风窗的开度调节。风窗控制主机具有就地手动、远程自动、全自动控制模式自主切换模式。风窗需具有断电自锁、自动修正、外力闭锁、停电放压等功能。具有语音报警提示功能，配备支持AI 学习与控制功能的摄像仪，实时状态通过环网传送给地面智能通风监控平台。调节风窗是智能通风项目建设中重要的调风设施，通过地面控制平台调节风窗的开度，改变巷道通风截面积实现风量的精准调节。

3 数据传输

煤矿大数据平台架构如图2。

图2 煤矿大数据平台架构Fig.2 Coal mine big data platform architecture

针对现有煤矿通风和安全生产监测监控系统相互独立、数据格式不统一、信息传输困难不易共享等问题，煤矿智能通风系统提供了数据采集平台、大数据平台、煤矿数据交换等服务，实现系统间数据共享。

数据采集平台按照统一化、标准化的模式采集生产过程中的数据，使用的通用协议和标准主要有EIP、OPC UA、Socket，GB28181 等，部分数据采用Kafka 消息队列交互。大数据平台包括数据源、基础平台和数据中台：数据源是指煤矿各类传感器收集的数据信息；基础平台能够做到多源异构数据接入，数据实时离线并存；数据中台能够实现数据统一规范，细化分析指标。煤矿数据交换打破煤矿之间数据孤岛，实现数据交换和共享，能够满足客户端主动获取数据的需求，也能够将数据实时推送给客户端。

4 系统软件功能设计

系统功能界面如图3。

图3 系统功能界面Fig.3 System functions

煤矿智能通风系统实现了矿井通风系统的三维显示和动态监测，矿井通风系统所有设备集中管理，解决了矿井通风系统关联的信息孤岛，实现了无人值守和故障诊断，减少劳动量，提升了通风系统管理的稳定性、及时性、整体性和经济性。实现了通风系统动态分析和管理的实时性、准确性，并将监测数据、历史记录本地存储并发布到上级公司，建立起分级管控权限体系。根据长期的数据采集和分析，形成矿井特有的通风系统模型，为通风系统调整、方案模拟、矿井规划等，提供理论支持和结果分析。

1）环境监测功能。系统具备集成现有的安全监测系统或新增各类气体传感设备功能。可实现将甲烷、一氧化碳、硫化氢、二氧化碳等有害、有毒气体体积分数接入智能通风平台，实现矿井环境参数的精准分析、把控各类毒害超标预警。为因毒害气体引起的灾变应急，做出合理控风策略、提供基础数据支持和分析依据。

2）智能分析功能。以感知通风参数、环境监测参数、设备运行监测参数为基础，以平台预设预警阈值为对比依据，借助神经网络、机器学习及大数据分析比对等手段，对通风系统出现的风速超量、风量不足、循环风、风流逆变、风流短路、供需失衡、环境监测各类气体体积分数超限及通风设施故障等隐患以及通风监测预警，形成智能决策调控方案及调控建议报告。

3）智能控制功能。对调控中涉及的风门、风窗等进行人工干预调控或一键智能调控。保证调控过程视频实时监控。其次远程控制页面配有动画模拟，模拟量需要通风设备开关量状态保持一致，方便地面工作站可视化控制。

4）智能决策功能。基于通风网络实时监测与通风网络动态解算风量，利用人工智能、机器学习等技术手段，对井下风流按需分配模拟决策、日常通风隐患及异常变化预警、灾情快速研判、灾变通风应急控制等提供智能决策及建议，并结合通风调节设施与应急装备制定预案库，形成调控建议报告。同时对采煤工作面区域智能快速确定最佳风流调控方案，并自动调控风流。调控结束后，调控建议报告与调控结果报告上传至智能通风平台。

5）手机APP 功能。支持安卓系统的移动端APP，展示设备运行参数、发布系统决策建议、提供系统智能控制过程与结果、推送系统各级别预警与报警。

6）摄像机AI 学习控制功能。视频识别行人、车辆、风门开启、关闭状态，识别风门装置附近异常状态、车辆顶撞风门、行人通行走大风门，同时开启2道风门等违规行为。2 道智能控制风门自动闭锁功能。当井下发生灾变时，可解除智能控制风门的互锁功能。智能控制风门的防夹功能。视频图像、运行状态、故障报警、违章记录上传至地面平台。

7）主通风机接入功能。智能通风系统平台预留主通风机监控系统接入接口，展示主通风机的风量、负压、全压、风机效率、电机温度、电流、功率、甲烷体积分数、一氧化碳体积分数、风机开停信号、正反风信号等数据，并根据运行情况可实时输出各种特性曲线。智能通风系统平台实现矿井主通风机的“一键启动”、“一键自动反风”等功能。平台可根据全矿供风情况选择预设的主通风机运行模式，将模式切换建议发送给相关管理人员。